聚合物复合材料的3D打印

3D打印简介

增材制造（AM），也称为3D打印，通常通过逐层添加材料以形成所需形状来构建3D对象。AM可以直接从数字模型创建复杂的形状，这不同于传统的制造技术，如铣削和成型。AM正在改变耗时和劳动密集型的制造过程。AM不仅在制造领域，而且在生物医学、电能存储、电子和机器人等不同行业提供了新的见解。

不同类型的3D打印机使用不同的材料（例如聚合物、陶瓷、金属和复合材料）。在各种材料中，聚合物是除定向能沉积外几乎所有类型的3D打印方法中使用最广泛的原料之一。根据印刷方法和应用，可以定制不同类型的聚合物，包括热塑性塑料和光聚合物，以适应制造工艺。

然而，3D打印聚合物产品很少用于结构和功能部件，因为它们的机械性能不令人满意，并且总体上表现出电气和隔热行为。因此，人们对聚合物复合材料的3D打印进行了广泛研究，以通过添加纳米颗粒和短或连续纤维等增强材料来克服机械性能的这些限制。

聚合物3D打印的发展

大多数3D打印聚合物，包括尼龙、聚乳酸（PLA）和环氧树脂，都是在20世纪20年代和1940年代合成和开发的。AM的基本概念是在50多年前研究的。20世纪80年代和90年代是3D打印诞生和发展的几十年。第一种3D打印方法–立体印刷术，于1987年商业化。其他3D打印技术，例如熔丝制造（FFF）和选择性激光烧成（SLS）也是在这一时期发明的。2000年代初，3D打印技术开始在医疗和航空航天等行业得到广泛探索。与此同时，许多早期版本的3D打印技术专利到期，许多公司开始生产自己品牌的3D打印机，使3D打印机可供公众使用。2010年后，3D打印技术的广泛使用催生了准确性、精确度和速度更高的先进打印技术。如今，人们越来越关注3D打印聚合物的开发，即3D打印聚合物的开发。

图注：3D打印历史和3D打印的聚合物开发：从快速原型过渡到可扩展和可定制的生产。

3D打印历史和3D打印的聚合物开发：从快速原型设计过渡到可扩展和可定制的生产聚合物已经从可打印（满足原型设计的要求）发展到功能性、生物相容性和可持续性（满足最终用途产品的要求）。然后将其加工成适合3D打印工艺的形状、尺寸和变性。印刷期间，不同的制造参数（例如，温度和加热/冷却速率）可以影响材料微观结构，例如尺寸和结晶度，并最终决定印刷物体的机械和其他性能。因此，了解3D打印中的工艺-结构-属性关系至关重要。

聚合物和复合材料的3D打印工艺

3D打印工艺已经成熟，可以生产由聚合物和聚合物复合材料组成的3D物体。一些3D打印技术已经发展得很好。在选择3D打印技术时，用户必须考虑材料、成本和应用要求（包括分辨率、几何复杂性和机械性能）。在这里，我们将了解每种3D打印机制。下图展示了六种常见的3D打印方法，并标记了关键组件。表1总结了它们的特征（印刷原理、典型聚合物和聚合物状态、优点和缺点）。

图注：3D打印技术原理图。

(A)在材料挤出（ME）中，丝熔制制造（FFF）是一种3D打印方法，其中固体丝被熔化，通过喷嘴挤出，并逐层沉积。直接墨水书写（DIW）采用粘弹墨水，墨水在受控的流量下通过小喷嘴挤出。(B)光固化（VP）使用UV光通过形成交联网络来固化液体浴中的光聚合物树脂。(C)粉末床融合（PBF）利用热能熔化粉末材料并打印出3D物体。(D)材料喷射（MJ）通过选择性地沉积构建材料的液滴来打印3D产品。(E)粘结剂喷射（BJ）将液体粘结剂滴到粉末材料上，粉末材料是最终物体的主要成分。(F)片状层压（SL）使用薄片材料并逐层粘合在一起以制造3D物体。

聚合物3D打印创新案例

最近，发明了一种使用高开关频率的多材料多喷嘴DIW系统来挤出体素化的多材料材料。多种粘弹材料在多材料多喷嘴3D（MM 3D）打印头的连接处汇聚，3D打印机的作用就像一个二极管一样，通过使用多达八种不同材料之间的高频切换来创建体积接近喷嘴直径立方的体素。

图注：聚合物3D打印创新。(A)多材料DIW系统以增加的开关频率产生连续体素灯丝，并使用基于体素的3D打印打印软机器人的图像。(B)连续液体界面生产（CLIP）打印机的示意图，其中透氧窗口在打印部件和窗口之间产生了一个死区。(C)使用数字光处理器（DLC）投影仪的计算轴向平板印刷（CAL）系统的示意图。(D)HARP打印机的示意图，其中流动油在整个打印区域冷却。

如下图所示，A实验通过FROMP固化的凝胶不仅可以应用于3D打印以生产独立的热固结构，还可以应用于碳纤维增强聚合物复合材料部件的制造，其可以在5分钟内固化。B实验通过利用热致动态毛细来打印碳纤维增强的热固复合材料，开发了3D打印的新概念，称为局部面内热辅助（LITA）3D打印。LITA 3D打印基于由移动热梯度驱动的连续毛细效应，实现复合材料的几乎同时的注入和固化碳纤维。在打印过程中，液体聚合物流入碳纤维之间的空间，然后从加热的纤维表面快速凝固到周围空间。